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Composites Research(구 한국복합재료학회지) update

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34권1호(2021) |수록논문 수 : 11
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34권4호(2021년 08월) 수록논문
최근 권호 논문
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KCI등재

1기계적 메타물질 설계 및 제조방안

저자 : 김민겸 ( Min-kyeom Kim ) , 김승현 ( Seunghyun Kim ) , 윤재원 ( Jae-won Yun ) , 정효균 ( Jeong-hyo Gyun ) , 곽민준 ( Min-jun Kwak ) , 안예린 ( Yea-lin Ahn ) , 박찬욱 ( Chan-wook Park ) , 김윤철 ( Youn-chul Kim ) , 서종환 ( Jonghwan Suhr )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 199-211 (13 pages)

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적층제조 기술의 발전으로 복잡한 구조의 제조가 용이해짐에 따라, 기존에 존재하지 않은 특성을 지닌 메타물질에 대한 관심이 커지고 있다. 기존에 존재하지 않은 기계, 음향, 열, 전자기 및 광학 특성을 지닌 메타물질은 높은 공학응용(Engineering applications) 가능성을 보여, 새로운 메타물질 개발 및 설계방안에 대한 연구를 지속적으로 진행하고 있다. 이에 본 논문에서는 메타물질의 여러 특성 중 기존에 존재하지 않은 기계적 특성을 지닌 메타물질의 특성, 거동 및 물성을 소개하고 설계방안을 제시하고자 한다. 또한 설계한 메타물질을 제조하기 위해 여러 적층제조 방식별 메타물질 제조특성 들을 검토하여, 메타물질의 산업에서의 활용 가능성을 제시하고자 한다.


As an additive manufacturing achieves technological advances, it enables to manufacture complex structures with saving a cost and time. Therefore, metamaterials, which has geometric complexity, have gradually gathered attention due to the unprecedented properties: the unprecedented mechanical, thermal, electromagnetic, and optical properties. The metamaterials could exhibit a high potential in engineering applications, and thus it has been steadily investigated to design or/and develop novel metamaterials. Here, mechanical metamaterials, which had been reported, were reviewed to suggest the way to design and fabricate the metamaterials for industrial applications.

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2레이저로 적층 제조한 금속 기지재 복합재료의 설계 및 제조 연구동향

저자 : 김민겸 ( Min-kyeom Kim ) , 김태환 ( Taehwan Kim ) , 김주원 ( Ju-won Kim ) , 김동원 ( Dongwon Kim ) , 방영젠 ( Yongjian Fang ) , 노종환 ( Jonghwan No ) , 서종환 ( Jonghwan Suhr )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 212-225 (14 pages)

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금속 기지재 복합재료들(MMCs, Metal matrix composites)은 우수한 기계적 물성(강성, 강도, 마모 저항성, 경도 등)과 뛰어난 특성(열전도, 전기전도도, 부식 저항 등)으로 다양한 산업군에 활용되고 있다. 적층제조 기술이 발달함에 따라 복잡한 형상을 시간과 비용을 절약하여 제조할 수 있다는 이점으로, 적층 제조한 MMCs에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 하지만 MMCs를 적층 제조할 경우, 다양한 원인들에 의해 여러 문제들이 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 다양한 MMCs의 특징들을 소개하고, 위의 문제들이 발생하는 원인을 고찰하여 소재와 Powder bed fusion (PBF) 공정 설계 관점에서 해결책을 제시하고자 한다. 본 논문은 향후 PBF 방식으로 적층 제조한 MMCs를 개발할 때 설계 및 제조 가이드라인을 제시하여 줄 수 있을 것이다.


Metal matrix composites (MMCs) were widely used in various industries, due to the excellent properties: high strength, stiffness, wear resistance, hardness, thermal conductivity, electrical conductivity, etc. With additive manufacturing (AM) technology rapidly developed, AM MMCs have been actively investigated thanks to the cost- and time-saving manufacturing. However, several issues still need to be addressed before fabricating AM MMCs. Here, several types of MMCs were introduced and MMCs' design methods to tackle the issues were suggested in a powder bed fusion (PBF) technique. The paper could come up with a guideline for the material and process design of MMCs in the PBF technique.

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3전개장치용 복합재료 테이프 스프링 개발

저자 : 김영배 ( Yeong-bae Kim ) , 정근성 ( Geunsung Jung ) , 김도원 ( Do-won Kim ) , 최한솔 ( Han-sol Choi ) , 임재혁 ( Jae Hyuk Lim )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 226-232 (7 pages)

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본 논문에서는 전개장치용 복합재료 테이프 스프링 개발을 위해 테이프 스프링의 설계, 해석, 제작 및 기계적 특성을 검토하였다. 이를 위해 다양한 복합재료 소재를 선정하고 3개의 적층 패턴에 따라 제작하여 굽힘 시 파손여부를 구조해석과 실험적으로 검토하였다. 이중 파손이 발생하지 않고 잘 굽혀지는 소재와 적층 패턴을 선정하였다. 이렇게 확보된 정보를 이용해 전개구조물용 테이프 스프링을 개발하고 4점 굽힘 시험을 통해 구조적인 특성을 검토하였다. 시험 결과로부터 굽힘과 펴짐에 따라 모멘트-회전 곡선에서 테이프 스프링 고유의 비선형 히스테리시스 현상이 적절히 구현됨을 확인하였다. 따라서 복합재료 테이프 스프링이 적절히 개발된 것을 확인하였다.


In this paper, development of tape-springs made of composite materials was conducted for the deployment structures along with design, analysis, fabrication, and numerical and experimental investigation of mechanical behavior of the tape-springs. To this end, the tape-springs were manufactured according to three stacking patterns, and numerical and experimental investigation were conducted to determine whether or not they were damaged during bending with various selected composite materials. Finally, optimal stacking patterns that do not cause damage were selected during bending. With this information, the four-point bending test was conducted to obtain the moment-rotation curves. From results, it was confirmed that the nonlinear hysteresis phenomenon of the tape-springs was properly realized according to folding and unfolding. Therefore, it was confirmed that the composite material tape spring was properly developed.

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4VaRI 공정 유동해석 간소화 방법에 대한 연구

저자 : 김영민 ( Yeongmin Kim ) , 이정완 ( Jungwan Lee ) , 김정수 ( Jungsoo Kim ) , 안세훈 ( Sehoon Ahn ) , 오영석 ( Youngseok Oh ) , 이진우 ( Yi Jin Woo ) , 김위대 ( Wiedae Kim ) , 엄문광 ( Moon-kwang Um )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 233-240 (8 pages)

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VaRI(Vacuum assisted Resin Infusion) 공정은 공정비용이 저렴하며, 크기가 큰 복합재 제작에 적합한 OoA(Out of Autoclave) 공정이다. VaRI 공정에서는 원할한 수지 주입을 위해 섬유 상단에 유로망을 적층한다. 수지는 이 유로망을 따라 섬유의 면 방향으로 빠르게 공급되고, 공급된 수지는 다시 섬유의 두께방향으로 함침된다. 면방향의 유동과 두께방향의 유동이 동시에 일어나기 때문에 수지의 유동을 예측하기 힘들며, 수지 주입과정을 예측하기 위해 3D 수치해석 프로그램이 사용되고 있다. 하지만, 3D로 해석하기 위해서 섬유와 유로망의 두께방향에 많은 Element가 필요하고, 이로 인해 제품의 크기가 클수록 해석시간이 오래 걸린다. 따라서 본 연구에서는 3D 유동해석을 2D 해석으로 간소화하여 유동해석에 소요되는 시간을 줄이는 방법을 제시하였다. 3D 유동해석과 간소화된 2D 유동해석을 동일조건에서 비교하여 효용성을 검증하였고, 충진시간 오차율은 약 7%, 유동해석시간 감소율은 약 95%로 나타났다. 또한 3D 해석에서 섬유 상, 중, 하단 간의 유동 전진 거리의 차이가 일정하다는 것을 활용하여 간소화된 2D 유동해석에서도 상, 중, 하단의 유동 전진 거리를 예측할 수 있었다.


VaRI(Vacuum assisted Resin Infusion) process, which is cost effective and suitable for manufacturing large-sized composites, is an OoA(Out-of Autoclave) process. For rapid resin infusion in the VaRI process, a DM(distribution media) is placed on top of the fabric. The resin is rapidly supplied in plane direction of the fiber along the DM, and then the supplied resin is impregnated in the out-of-plane direction of fiber. It is difficult to predict the flow of resin because the flow of in-plane direction and the out-of-plane direction occur together, and a 3D numerical analysis program is used to simulate the resin infusion process. However, in order to analyze in 3D, many elements are required in the out-of-plane direction of fabric. And the product size is larger, the longer the analysis time needs. Therefore, in this study, a method was suggested to reduce the time required for flow analysis by simplifying the 3D flow analysis to 2D flow analysis. The usefulness was verified by comparing the 3D flow analysis with the simplified 2D flow analysis at the same conditions. The filling time error was about 7% and the reduction of flow analysis time was about 95%. In addition, by utilizing the constant difference in the flow front between the top, middle, and bottom of the fabric of the 3D analysis, the flow front of the top, middle, and bottom of the fabric can be also predicted in the 2D flow analysis.

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5전기자동차 배터리 모듈 커버의 3D 프린팅 제작을 위한 GF/PC 복합소재 필라멘트 설계와 3D 프린팅 공정 및 구조 최적화

저자 : 유정욱 ( Jeong-wook Yoo ) , 이진우 ( Jin-woo Lee ) , 김승현 ( Seung-hyun Kim ) , 김윤철 ( Youn-chul Kim ) , 서종환 ( Jong-hwan Suhr )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 241-248 (8 pages)

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전기자동차 시장이 성장함에 따라 배터리 효율을 증가시키기 위해 차량 경량화 이슈가 대두되고 있다. 이에 전기자동차 배터리 모듈을 보호하는 배터리 모듈 커버를 기존 알루미늄 소재에서 알루미늄 대비 절반 수준의 무게를 가지는 고강도/고내열성 고분자 복합소재로 대체하고자 한다. 또한 복잡한 형상에 대한 제약이 없고, 다품종 소량생산에 유리한 3D 프린팅 기술을 접목하여 기술 변화가 빠른 초기 전기자동차 시장에 대응하고자 한다. 복합소재 역학에 기반하여 압출기를 통해 가공한 단섬유 GF(glass fiber)/PC(polycarbonate) 복합소재 내 유리섬유의 임계길이(critical length)가 453.87 μm임을 도출하였고, 사이드 피딩(side feeding) 방식의 가공법을 택함으로써 기존 365.87 μm이었던 잔류섬유길이를 향상시킴과 동시에 분산성을 향상시켰다. 이에 30 wt%의 GF가 함유된 GF/PC 복합소재로 인장강도(tensile strength) 135 MPa, 탄성계수(Young's modulus) 7.8 MPa의 최적의 물성을 구현하였다. 또한 3D 프린팅 필라멘트가 상용 필라멘트 규격인 두께 1.75 mm, 표준편차 0.05 mm를 만족하기 위해서 필라멘트 압출 조건(온도, 압출속도)을 최적화하였다. 제작된 필라멘트를 통해 기공률을 최소화하며 강도를 최대화하고, 동시에 생산성 향상을 위해 프린팅 속도를 최대화하는 다중 최적화 문제를 통해 3D 프린팅 공정조건(온도, 프린팅 속도)을 최적화하였고, 이로써 기존 상용화 되어있는 동일 소재 필라멘트 대비 인장강도 11%, 탄성계수 56%가 향상된 결과를 얻었으며, 출력물의 후처리(post-process)를 통해 후처리 전 대비 인장강도 5%, 탄성계수 18%를 추가로 향상시켰다. 끝으로 유한요소해석(finite element analysis, FEA) 기법을 활용하여 전기자동차 배터리 모듈 커버의 시험 규격(ISO-12405)의 Mechanical Shock test의 기준을 만족하도록 배터리 모듈 커버의 구조를 최적화하였고, 이로써 배터리 커버 시험규격을 만족하면서 동시에 알루미늄을 사용했을 때 대비 37%의 경량화를 달성하였다. 해당 연구 결과 및 연구 방법을 활용하여 향후 다양한 분야에 고분자 복합소재 3D 프린팅 기술이 활용될 수 있을 것으로 기대된다.


As the electric vehicle market grows, there is an issue of light weight vehicles to increase battery efficiency. Therefore, it is going to replace the battery module cover that protects the battery module of electric vehicles with high strength/high heat-resistant polymer composite material which has lighter weight from existing aluminum materials. It also aims to respond to the early electric vehicle market where technology changes quickly by combining 3D printing technology that is advantageous for small production of multiple varieties without restrictions on complex shapes. Based on the composite material mechanics, the critical length of glass fibers in short glass fiber (GF)/polycarbonate (PC) composite materials manufactured through extruder was derived as 453.87 μm, and the side feeding method was adopted to improve the residual fiber length from 365.87 μm and to increase a dispersibility. Thus, the optimal properties of tensile strength 135 MPa and Young's modulus 7.8 MPa were implemented as GF/PC composite materials containing 30 wt% of GF. In addition, the filament extrusion conditions (temperature, extrusion speed) were optimized to meet the commercial filament specification of 1.75 mm thickness and 0.05 mm standard deviation. Through manufactured filaments, 3D printing process conditions (temperature, printing speed) were optimized by multi-optimization that minimize porosity, maximize tensile strength, and printing speed to increase the productivity. Through this procedure, tensile strength and elastic modulus were improved 11%, 56% respectively. Also, by post-processing, tensile strength and Young's modulus were improved 5%, 18% respectively. Lastly, using the FEA (finite element analysis) technique, the structure of the battery module cover was optimized to meet the mechanical shock test criteria of the electric vehicle battery module cover (ISO-12405), and it is satisfied the battery cover mechanical shock test while achieving 37% lighter weight compared to aluminum battery module cover. Based on this research, it is expected that 3D printing technology of polymer composite materials can be used in various fields in the future.

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6화학기상침투법 반응로 내부 유동에 따른 탄소/탄소 복합재 밀도화

저자 : 김혜규 ( Hye-gyu Kim ) , 지우석 ( Wooseok Ji ) , 권향주 ( Hyang Joo Kwon ) , 윤성태 ( Sungtae Yoon ) , 김정일 ( Jung-il Kim )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 249-256 (8 pages)

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본 논문에서는 화학기상침투법(CVI) 공정으로 제작되는 탄소/탄소 복합재의 밀도화 과정을 수치해석적으로 연구하였다. 이를 위해 선행 연구에서 개발된 전산유체역학 모델과 반응로 내 주요 화학 반응 모델을 연계한 다중물리 수치해석 모델을 이용하여, 섬유 프리폼의 밀도와 공극률 변화를 다양한 측면에서 분석하였다. 특히 프리폼 주변 기체 유동의 형태에 따른 밀도화 변화를 알기 위해, 특정 형상의 구조물을 프리폼 주변에 배치시켜 유동을 변화시킨 후 프리폼의 밀도화를 계산하였다. 총 4가지 다른 형태의 구조물로 해석한 결과 프리폼 주변의 유동 형태 및 속도 분포를 구조물 형상으로 제어할 수 있었으며, 프리폼의 평균 밀도를 높이거나 밀도 편차를 감소시키는 것이 가능함을 확인하였다. 본 연구에서는 실제 산업 현장에서 사용되는 반응로와 공정 조건을 모델로 이용하였다.


In this paper, the densification of a carbon/carbon composite during a chemical vapor infiltration (CVI) process is studied using a chemo-mechanical model. The multi-physics numerical model, developed in the previous research, couples computational fluid dynamics and major chemical reactions in the reactor. The model is especially utilized to study the effect of flow behavior around the preform on the densification. Four different types of “flow-guide” structures are placed to alter the gas flow around the preform. It is shown that the flow pattern and speed around the preform can be controlled by the guide structures. The process simulations demonstrate that the average density and/or density distribution of the preform can be improved by controlling the gas flow around the perform. In this study, a full industrial-scale reactor and process parameter were used.

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7원통형 복합재료 압력 용기의 기계적 물성 평가를 위한 세그먼트 형링 버스트 시험 방법 분석

저자 : 김외태 ( Woe Tae Kim ) , 김성수 ( Seong Soo Kim )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 257-263 (7 pages)

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복합재료는 높은 비 강성 및 비 강도 특성으로 인해 기체 혹은 액체 연료를 저장하기 위한 압력 용기의 설계 및 제작에 널리 활용되고 있다. 이에 따라, 압력용기의 파열압력 또는 파단 변형률의 기계적 특성의 보다 정확한 측정은 상용화 전에 필수적 요소이다. 그러나, 기존의 시험방법을 활용한 복합재료 압력 용기의 안전성 검증은 하중 전달 매체의 변형으로 인한 추가적인 에너지 손실의 발생과, 불필요한 하중 및 모멘트의 발생 등의 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 수직기둥의 이론적인 하중전달 정도와 적용 가능한 수직방향 변위를 고려하여 세그먼트형 링 버스트 시험장치를 설계하였다. 또한, 세그먼트 형 링 버스트 시험장치의 균일한 압력분포를 검증하기 위해 수치해석을 활용하였고, 수압 시험방법과 링 시편의 원주방향 응력 및 변형률 분포를 비교하였다. 복합재료 압력용기의 파괴 거동을 모사하기 위해 Hashin 파손 기준을 적용하였고, 실험적으로 파단 변형률을 측정하여 이를 수치해석 결과와 비교하였다.


Composite materials have been widely applied for fabricating pressure vessels used for storing gaseous and liquid fuel because of their high specific stiffness and specific strength. Accordingly, the accurate measurement of their mechanical property, particularly the burst pressure or fracture strain, is essential prior to the commercial release. However, verification of the safety of composite pressure vessels using conventional test methods poses some limitations because it may lead to the deformation of the load transferring media or provoke an additional energy loss that cannot be ignored. Therefore, in this study, the segment-type ring burst test device was designed considering the theoretical load transferring ratio and applicable displacement of the vertical column. Moreover, to verifying the uniform distribution of pressure of the segment type ring burst test device, the hoop stress and strain distribution of ring specimens were compared with that of the hydraulic pressure test method via FEM. To conduct a simulation of the fracture behavior of the composite pressure vessel, a Hashin failure criterion was applied to the ring specimen. Furthermore, the fracture strain was also measured from the experiment and compared with that of the result from the FEM.

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83D 계층적 나노구조화된 표면을 갖는 소수성 유/무기 복합 필름

저자 : 서희진 ( Huijin Seo ) , 안진성 ( Jinseong Ahn ) , 박준용 ( Junyong Park )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 4호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 264-268 (5 pages)

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이 연구에서 우리는 3차원 계층적 나노구조화된 유/무기 복합 표면을 가진 소수성 코팅/필름을 제조하는 방법을 제안한다. 먼저 근접장 나노패터닝(PnP)이라 불리는 첨단 포토리소그래피 기술을 통해 에폭시 기반의 대면적 3차원 정렬 나노다공성 템플릿을 준비하였다. 이후, 딥 코팅을 통해 평균 직경이 22 nm인 실리카 나노입자를 템플릿에 조밀하게 함침시켜 계층적 구조화된 표면을 구현하였다. 표면에 공존하는 마이크로 및 나노 스케일 거칠기로 인해, 제조된 복합 필름은 대조군에 비해 물에 대한 높은 접촉각(>137도)을 나타내었다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 소재 및 공정은 전통적인 코팅/필름 분야에서 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.


In this study, we propose a method for fabricating hydrophobic coatings/films with three-dimensional (3D) hierarchical nanostructured organic/inorganic composite surfaces. An epoxy-based, large-area 3D ordered nanoporous template is first prepared through an advanced photolithography technique called Proximity-field nanoPatterning (PnP). Then, a hierarchically structured surface is generated by densely impregnating the template with silica nanoparticles with an average diameter of 22 nm through dip coating. Due to the coexisting micro- and nano-scale roughness on the surface, the fabricated composite film exhibits a higher contact angle (>137 degrees) for water droplets compared to the reference samples. Therefore, it is expected that the materials and processes developed through this study can be used in various ways in the traditional coating/film field.

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1유리섬유/폴리카보네이트 복합재료의 기지 분자량에 따른 함침 및 기계적 물성 평가

저자 : 김늘새롬 ( Neul-sae-rom Kim ) , 장영진 ( Yeong-jin Jang ) , 이은수 ( Eun-soo Lee ) , 권동준 ( Dong-jun Kwon ) , 양성백 ( Seong Baek Yang ) , 이정언 ( Jungeon Lee ) , 염정현 ( Jeong Hyun Yeum )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 1-7 (7 pages)

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열가소성 섬유강화 복합재료는 수송용 기기의 경량화 소재로써 적용 분야가 확대되고 있다. 본 연구에서는 분자량이 다른 폴리카보네이트(PC)를 이용하여 연속섬유 강화 유리섬유(GF)/폴리카보네이트(PC) 복합소재의 함침성 및 기계적 물성에 대한 평가를 진행하였다. GF 직물과 PC 필름을 제조한 후, 이를 이용하여 연속가압성형법으로 연속섬유 강화 GF/PC 복합재 평판을 제조하였다. PC 분자량에 따른 용융지수를 측정 및 평가하였고, GF제직물 강화 GF/PC 복합재료의 인장강도, 굴곡강도, 압축강도 및 기공체적률을 평가하였다. 전계방사형 주사전자 현미경을 이용하여 인장파괴된 GF/PC 복합재료의 형태를 분석하여 파괴거동을 확인하였다. 분자량이 20,000일 때 최적의 기계적 특성이 발현되는 것을 확인하였다.

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2LNGC 경량화를 위한 파이프 지지용 클램프의 복합소재 적용 연구

저자 : 배경민 ( Kyong-min Bae ) , 임윤지 ( Yoon-ji Yim ) , 윤성원 ( Sung-won Yoon ) , 하종록 ( Jong-rok Ha ) , 조제형 ( Je-hyoung Cho )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 8-15 (8 pages)

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조선해양 산업에서 선박의 에너지 절감과 운항효율 향상을 위한 부품의 경량화 기술이 요구됨에 따라서, 고강도의 경량소재인 섬유강화 복합소재를 부품소재로 적용하는 방안이 검토될 수 있다. 본 연구에서는 LNGC 경량화를 위해 파이프 지지용 클램프의 섬유강화 복합소재 적용 가능성을 평가하였다. 탄소섬유 및 유리섬유를 강화섬유로 하여 섬유강화 복합소재를 제조하였으며, 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 통해 복합소재의 강화재료와 기지재료의 물성을 역계산하여 섬유 적층 패턴별 물성 변화에 따른 성능 예측을 수행하였다. 또한, 유한요소해석 프로그램를 통해 복합소재 두께에 따른 클램프의 구조해석을 수행하였다. 연구결과 경량화를 위해 클램프의 섬유강화 복합소재의 적용시 두께 선정에 주의가 필요함을 확인할 수 있었다. 향후 보완 설계 시 구조물의 형상변경 및 경량화를 위한 구조변경에 용이할 것으로 판단된다.

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3교반기의 임펠러 형태에 따른 폴리우레탄 폼의 미세구조와 물성 연구

저자 : 이채림 ( Chae-rim Lee ) , 김정수 ( Jung Soo Kim ) , 박병호 ( Byeongho Park ) , 엄문광 ( Moon-kwang Um ) , 박태훈 ( Teahoon Park )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 16-22 (7 pages)

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폴리우레탄폼(PUF)은 연질, 반경질, 경질 형태로 제작이 가능하여 산업적으로 다양한 분야에서 활용되고 있다. 그 중에서도 경질 폴리우레탄폼은 우수한 기계적 특성과 낮은 열전도도를 가지고 있어, 건축물의 단열재와 천연가스 운수송 분야에서 보냉재로 사용되고 있다. 해당 분야에서는 기계적 강도는 높이고 열전도도는 낮추고자 하는 기술적 수요가 꾸준히 요구되고 있다. 본 연구에서는 경질 폴리우레탄폼을 제작하고, 교반기의 임펠러 형태(Propeller, Dispersed turbine)에 따른 폼의 미세구조와 물성 변화를 연구하였다. FE-SEM 이미지 및 Micro-CT 분석을 통해 Dispersed turbine으로 제조한 폼의 평균 기공 크기가 Propeller로 제조한 기공보다 21.5% 작은 것을 확인하였다. 압축 강도는 작은 기공을 가진 폼에서 15.4% 향상되었고, 열전도도는 3.1% 감소하였다. 이러한 결과는 PUF 복합재 제조에 활용될 수 있다.

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4플라즈마 처리 방법을 이용한 PAN 전구체 특성 변화 연구

저자 : 강효경 ( Hyo-kyoung Kang ) , 김정연 ( Jung-yeon Kim ) , 김학용 ( Hak-yong Kim ) , 최영옥 ( Yeong-og Choi )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 23-29 (7 pages)

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탄소섬유는 단위 중량 당 높은 강도 및 모듈러스를 갖기 때문에 고성능 복합 재료 제조 시 탄소보강재로 많이 사용된다. 그러나 탄소 섬유를 제조하는 공정에서 많은 시간과 높은 에너지를 소모하여 제조비용이 크게 증가하기 때문에 상용화에 어려움을 겪고 있다. 따라서 생산 비용 절감을 위하여 제조 공정에 사용되는 에너지를 대체할 수 있는 고속의 저 에너지원을 적극적으로 찾아 연구할 필요가 높아졌다. 폴리아크릴로니트릴(PAN) 전구체(Precursor)로 상용화 된 탄소 섬유는 180~300℃의 대기 분위기에서 안정화 과정이 이루어지고, 1600℃ 이하의 불활성 가스 분위기에서 탄화하여 탄소 섬유를 생산할 수 있다. 이 두 공정은 많은 시간과 높은 에너지를 사용하지만, 고성능 탄소 섬유를 생산하는 데 필수적이며 중요하다. 따라서 최근에는 공정 시간을 단축하고 에너지 소비를 줄일 수 있는 플라즈마, 전자 빔 및 마이크로파와 같은 다양한 다른 에너지원을 보조적으로 사용 함으로써 저 에너지·고속 안정화 공정 기술이 시도되고 있다. 본 연구에서는 플라즈마 공정과 열처리를 연속적으로 수행하여 PAN 전구체 안정화 공정을 연구하였으며, 모폴로지, 구조적 변화, 열적 및 물리적 특성 변화를 연구하였다.

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5Unit Cell FEM Analysis Using I-Fiber Single Stitch with Different Thickness

저자 : Jonathan Tapullima , Gyu Yeong Park , Dong Hwan Yoon , Jin Ho Choi

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 30-34 (5 pages)

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This paper present a three-dimensional unit cell finite element analysis to predict the pull-out behavior of a single stitch in a composite laminate. The stitching process used for this study correspond to the I-fiber stitching method that has been studied by the Composite Structures Lab (CSL) as a new through-thickness reinforced method. A total of six cases were analyzed, which were divided in two groups by the stitching yarn used, 6k and 12k. Each group of cases have three different thickness according to the amount of plies; 16 plies, 32 plies and 64 plies. The finite element analysis used the cohesive zone method to characterize the single stitch reinforcement in the interface. Due to the complexity of the load vs displacement curves taken from the experimental results, a bilinear and trilinear bridging laws were implemented in the models. The cohesive parameters used for each case showed a good agreement with the experimental data and can be used for future studies.

KCI등재

6복합소재를 활용한 B필러 강화재의 구조해석 및 설계

저자 : 강지헌 ( Ji Heon Kang ) , 김건우 ( Kun Woo Kim ) , 장진석 ( Jin Seok Jang ) , 김지욱 ( Ji Wook Kim ) , 양민석 ( Min Seok Yang ) , 구윤식 ( Yoon Sik Gu ) , 안태민 ( Tae Min Ahn ) , 권순덕 ( Sun Deok Kwon ) , 이재욱 ( Jae Wook Lee )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 35-46 (12 pages)

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본 논문은 차량에 사용되는 B필러의 강화재를 기존의 스틸 소재에서 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)와 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics)로 대체하여 경량화하는 것이 목표다. 이를 위해서는 무게는 감소시키면서 기존 B필러를 대체할 수 있는 구조안정성을 확보해야 한다. 기존 B필러는 스틸 아우터(outer)를 포함하여 다양한 형상의 스틸 강화재로 구성되며, 이와 같은 스틸 강화재 중 2가지의 스틸 강화재를 복합재로 대체하고자 한다. 이와 같은 스틸 강화재는 강화재 각각을 따로 제작하여 용접을 통해 결합되지만, 복합재 강화재는 패치(patch) 형태의 CFRP와 리브(rib) 구조의 GFRP를 활용하여 압축과 사출 공정을 통해 한번에 제작된다. CFRP는 B필러의 고강도부에 부착되어 측면 하중에 저항하도록 하였으며, GFRP 리브는 위상 최적화(Topology optimization) 기법을 통해 비틀림과 측면 하중을 저항하도록 설계하였다. 구조해석을 통해 기존 스틸 강화재와 비교 분석을 수행하였고, 경량화율을 산출하였다.

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7초박형 반도체 패키지의 EMC encapsulation을 위한 경화 공정 개발

저자 : 박성연 ( Seong Yeon Park ) , 온승윤 ( Seung Yoon On ) , 김성수 ( Seong Su Kim )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 47-50 (4 pages)

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본 연구에서는 면상 발열체인 CNT Heater를 이용한 EMC 패키지 경화 공정 시스템을 개발하기 위하여, 기존 Hot Press 공정과 CNT Heater 공정 시스템을 통해 제작한 EMC/Cu Bi-layer 패키지의 성능을 비교하여 CNT Heater 공정 시스템의 가능성을 확인하였다. CNT Heater 공정의 경화 사이클을 도출하기 위해 Rheometer를 이용해 EMC의 점성을 측정하였다. 앞서 언급한 두 공정에 의해 성형된 EMC/Cu Bi-layer 패키지에서 EMC 내부의 Void를 광학 현미경으로 분석하였다. 또한, C-Scanning Acoustic Microscope와 3D-Digital Image Correlation를 통해 EMC/Cu Bilayer 패키지의 계면 Void와 휨을 분석하였다. 이러한 분석 결과를 기반으로, EMC 내부 및 EMC/Cu Bi-layer의 계면에서 Void가 없음을 확인하였으며, 상온에서의 휨 크기, Zero 휨 온도와 휨 크기 변화에서 차이가 없음을 확인하였다.

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8콜타르를 결합재 및 함침재로 이용한 벌크 흑연 제조

저자 : 이상민 ( Sang-min Lee ) , 이상혜 ( Sang-hye Lee ) , 강동수 ( Dong-su Kang ) , 노재승 ( Jae-seung Roh )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 51-56 (6 pages)

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석탄 핏치의 전구체인 콜타르를 바인더 및 함침재로 이용하여 벌크흑연을 제조할 수 있는 가능성을 검토하고자 하였다. 충전재로 천연흑연을 이용하였으며, 천연흑연과 콜타르를 혼합 및 성형한 후 탄화 열처리를 실시하였다. 탄화 열처리 후 함침-재탄화를 5회 실시하여 밀도, 기공율, 압축강도, 그리고 이방성비를 측정하였다. 탄화체의 최고 밀도는 1.76 g/cm3였고, 기공율은 최소 15.6%로써 공정 제어에 의해 조절이 가능하였다. 압축강도는 최고 20.3 MPa이 얻어졌다. 탄화체의 이방비는 최대 0.34로써 강한 이방성 탄화체를 얻을 수 있었다. 따라서 콜타르를 바인더 및 함침재로 이용하여 벌크 형태의 인조흑연 제조가 가능하다는 것을 확인하였다. 또한 탄화체의 이방성을 조절하여 전기적, 기계적 방향 특성을 조절한다면 적절한 재료 설계를 통하여 다양한 분야에 응용할 수 있을 것이라 판단된다.

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9조선해양 파이프 단열재 커버 적용을 위한 내화/난연 성능을 갖는 친환경 바잘트섬유 강화 퓨란계 복합재료 개발 연구

저자 : 권동준 ( Dong-jun Kwon ) , 서형석 ( Hyoung-seock Seo )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 57-62 (6 pages)

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조선해양산업에서 친환경 선박 및 경량화 기자재에 관한 관심이 높아짐에 따라 파이프 등의 기자재에 복합재료를 적용하고 있다. 본 연구에서는 친환경 및 내열/난연 성능을 요구하는 파이프 단열재 커버에 적용하기 위해 친환경 소재인 바잘트 섬유강화 퓨란복합재료(BFC, basalt fiber reinforced furan composite)를 제조하였다. BFC 소재의 낮은 물성을 강화시키기 위해 후경화 조건의 최적화 연구를 수행하였고, BFC 소재의 기계적강도, 내열/난연 특성 강화, 친화경 특성에 대한 실험과 평가를 진행하였다. 최종적으로 연구 결과 조선해양기자재인 파이프 단열재 커버에 BFC 소재의 적용이 가능함을 확인하였다.

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10필러 네트워크 형성 및 배향이 복합소재 열전도도와 산소투과도에 미치는 영향 고찰

저자 : 신하은 ( Haeun Shin ) , 김채빈 ( Chae Bin Kim )

발행기관 : 한국복합재료학회 간행물 : Composites Research(구 한국복합재료학회지) 34권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 63-69 (7 pages)

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일체형 방열 및 기체 차단 재료 개발을 위하여 신규 고분자를 합성하고 판상형 육방정 질화 붕소(hBN) 필러를 포함하는 복합소재를 제조하였다. 복합소재는 필러의 크기 및 함량에 따라 열전도도 및 산소투과도 조절이 가능하였다. 복합소재는 최대 28.0 W·m-1·K-1의 높은 열전도도를 지녔으며 필러 미포함 샘플 대비 산소투과도는 62% 감소하였다. 열전도도 및 기체투과도 실험 측정값과 모델 예측값 비교를 통해 복합소재 내 필러의 종횡비를 계산하였다. 이러한 결과를 토대로 높은 열전도도 및 낮은 기체투과도는 필러 간 효과적인 네트워크 형성 때문이며 이는 복합소재 제조 시 전단 응력 극대화가 가능한 신규 수지의 특성으로부터 유래된것으로 사료된다. 또한, 열전도도로부터 계산된 필러 종횡비와 산소 투과도로부터 계산된 필러 종횡비 값이 서로 다름을 확인하였고 이에 관련하여 복합소재에서 열 전달 및 기체 투과 메커니즘에 대하여 고찰하였다. 본 연구에서 개발된 높은 열전도도 및 낮은 산소투과도를 갖는 고분자 복합소재는 전자 제품의 일체형 방열 및 산화 방지 재료로 사용 될 수 있다.

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